Beton yapılarda donatı korozyonunun önlenmesine yönelik tedbirlerin araştırılması

Abstract

Korozyona karşı daha dayanımlı betonarme ürünler geliştirmek amacı ile yaptığımız bu çalışmada, çeşitli katkı malzemeleri içeren betonarme numuneler üretilerek, kullanılan katkı malzemelerinin betonarme numunelerde donatı korozyonunu engellemedeki etkinlikleri değerlendirilmiştir ve eski yapılardan çıkarılmış kısmen korozyonlu çelik donatılar kullanılarak betonarme numuneler üretilip bu numunelere dış akım kaynaklı ve galvanik anotlu katodik koruma prosesleri uygulanarak katodik koruma proseslerinin yapılardaki korozyonu engellemedeki etkinlikleri değerlendirilmiştir. Katkı malzemelerinin etkinliklerini değerlendirmede kullanılan betonarme numuneler, beton içine çelik donatılar dikilerek, silindir lolipop şeklinde 70x140 mm ölçülerinde dökülmüştür. Her bir korozyon önlem katkı malzemesi için toplam yedi farklı numune grubu ve bunlara ait kontrol numune grupları her bir gruptan üçer tane olacak şekilde üretilmiştir. Birinci grup numunelerde Tecno Silica ticari isimli silis dumanı, beton harç karışımına katılmıştır. İkinci grup numunelerde Sika Ferrogard-901 ticari isimli nitrojen içeren organik ve inorganik esaslı karışım inhibitörü beton harç karışımına katılmıştır.Üçüncü grup numunelerde Sika Gard -703 W ticari isimli silan ve siloksan bileşimli emülsiyon betonun dış yüzeyine sürülmüştür.Dördüncü grup numunelerde Sika Ferro Gard -903 ticari isimli özel amino alkol esaslı organik ve inorganik karışım inhibitörü betonun dış yüzeyine sürülmüştür.Beşinci grup numunelerde Tecno bond 650 ticari isimli epoksi reçine esaslı, iki bileşenli solventli epoksi kaplama malzemesi çelik donatının dış yüzeyine sürülmüştür.Altıncı grup numunelerde çelik donatılar sıcak daldırma galvaniz yöntemi ile çinko kaplanmıştır.Yedinci grup numunelerde Sika Monotop 610 ticari isimli çimento esaslı, silis dumanı ve korozyon inhibitörü içeren, polimer modifiyeli kaplama malzemesi çelik donatının dış yüzeyine sürülmüştür.Geri kalan gruplar ise önlemsiz yani katkı malzemesi içermeyen kontrol numuneleri olarak üretilmişlerdir. Numuneler 50 gr Cl- / litre konsantrasyondaki tuzlu su çözeltisi içinde üç ay süre ile bekletilerek hızlandırılmış korozyona uğratılmıştır. Üç ay süresince düzenli olarak yarı hücre potansiyel ölçümleri, korozyon akım yoğunluğu ölçümleri yapılmıştır. Korozyon akım yoğunluğu ölçümlerinde Gecor 8 cihazı kullanılmıştır. Üç aylık hızlandırılmış korozyona tabi tutulan lolipop numuneler, deneyin sonunda kırılarak, donatıları çıkarılmış ve yüzeyleri temizlendikten sonra Olympus optik mikroskobunda 200 büyütmede mikro yapıları incelenmiştir. Katkı malzemelerinden beton harç karışımı içine katılanların betonun basma dayanımlarına ve yarmada çekme dayanımlarına olan etkileri 28 günlük kür süresi sonunda değerlendirilmiştir. Çelik donatıların yüzeyine yapılan kaplamaların betonarme numunelerin aderans dayanımlarına olan etkileri 28 günlük kür sonunda ve 90 günlük hızlandırılmış korozyon deneyleri sonunda belirlenmiştir. Sika Ferro Gard-901 ve Tecno Silica silis dumanı katkılı numunelerin basınç dayanımları sırası ile 33,5 Mpa ve olarak 30,6 Mpa tespit edilmiştir. Bu numunelere ait kontrol numunelerinin basınç dayanımları sırası ile 28,5 Mpa ve 27 Mpa olarak tespit edilmiştir. Sika Ferro Gard-901 ve Tecno Silica silis dumanı katkılı numunelerin yarmada çekme dayanımları sırası ile 3,85 Mpa ve 4 Mpa olarak tespit edilmiştir. Bu numunelere ait kontrol numunelerinin yarmada çekme dayanımları sırası ile 2,9 Mpa ve 2,9 Mpa olarak tespit edilmiştir. Basınç dayanımı ve yarmada çekme dayanımı deneyleri sonucunda, Sika Ferro Gard-901 ve Tecno Silica beton katkısının kontrol numuneleri ile karşılaştırma yapıldığı zaman, betonun basma dayanımını ve yarmada çekme dayanımını arttırdığı tespit edilmiştir. Kür süresi tamamlandıktan sonra yapılan aderans dayanımı deneyleri sonucunda, Sika Ferro Gard-901'in, çinko kaplamanın, Tecno Silica silis dumanının, betonarme numunelerin aderans dayanımını arttırdığı, Tecno Bond 650 epoksi esaslı kaplamanın ve Sika Monotop 610 kaplamanın betonarme numunelerin aderans dayanımını düşürdüğü, Sika Ferro Gard-903 inhibitörünün ve Sika Gard -703 W emülsiyonunun betonarme numunelerin aderans dayanımını pek değiştirmediği tespit edilmiştir. Hızlandırılmış korozyon süresi sonunda, Sika Ferro Gard-901, çinko kaplama, Tecno Silica silis dumanı, Tecno Bond 650 epoksi kaplama, Sika Monotop 610 kaplama, Sika Ferro Gard-903 ve Sika Gard -703 W içeren numunelerin aderans dayanımları sırası ile 5,27 Mpa, 5,44 Mpa, 4,88 Mpa, 4,16 Mpa, 4,18 Mpa, 5,22 Mpa, 5,29 Mpa olarak tespit edilmiştir. Bu numunelere ait kontrol numunelerinin aderans dayanımları sırası ile 3,88 Mpa, 3,8 Mpa, 4,17 Mpa, 3,83 Mpa, 3,74 Mpa, 3,91 Mpa, 4,03 Mpa olarak tespit edilmiştir. Hızlandırılmış korozyon süresi sonunda, Sika Monotop 610,çinko kaplama, Tecno Bond 650 epoksi kaplama, Sika Ferro Gard-901, Sika Ferro Gard-903, Sika Gard -703 W, Tecno Silica silis dumanı içeren numunelerin korozyon akım yoğunlukları sırası ile 0,14 µA/cm2, 0,36 µA/cm2, 0,19 µA/cm2, 0,29 µA/cm2, 0,42 µA/cm2, 0,20 µA/cm2, 0,31 µA/cm2 olarak tespit edilmiştir. Bu numunelere ait kontrol numunelerinin korozyon akım yoğunlukları sırası ile 0,56 µA/cm2, 0,57 µA/cm2, 0,60 µA/cm2, 0,56 µA/cm2, 0,76 µA/cm2, 0,52 µA/cm2, 0,68 µA/cm2 olarak tespit edilmiştir. Ayrıca hızlandırılmış korozyon süresi sonunda, Sika Monotop 610,çinko kaplama, Tecno Bond 650 epoksi kaplama, Sika Ferro Gard-901, Sika Ferro Gard-903, Sika Gard -703 W, Tecno Silica silis dumanı içeren numunelerin yarı hücre potansiyel değerleri sırası ile- 411 mV,-666 mV,-192 mV,-542 mV,-575 mV,-315 mV,-433 mV olarak tespit edilmiştir. Bu numunelere ait kontrol numunelerinin yarı hücre potansiyel değerleri sırası ile -619 mV, -502 mV,-543 mV,-611 mV,-605 mV, -631 mV, -543 mV olarak tespit edilmiştir. Elde edilen verilere göre, çelik donatıları, Sika Monotop 610 kaplamalı, sıcak daldırma çinko kaplamalı ve Tecno Bond 650 ticari isimli epoksi kaplamalı betonarme numunelerde korozyon tespit edilmemiştir. Sika Ferro Gard 901 inhibitörü katkılı betonarme numunelerde çok ince (0 - 4 µm arası) oksit tabakasına rastlanmıştır ancak ölçülen korozyon akım değerlerinin betonun dayanıklılığı açısından risk oluşturmayan bölgede kaldığı tespit edildiğinden, Sika Ferro Gard 901 katkının betonarme yapıları uzun süre yüksek klorür içerikli çevre koşullarına maruz kalındığında bile oldukça etkili bir şekilde koruyabildiği ve betonarmenin dayanıklılığı açısından bir tehlike oluşmasına engel olabildiği görülmüştür. Tecno Silica silis dumanı katkılı ve Sika Ferro Gard 903 inhibitör katkılı, betonarme numunelerde ince (sırasıyla, 5 - 10 µm arası ve 5-15 µm arası) oksit tabakasına rastlanmıştır. Fakat kontrol numuneleri için yapılan mikro yapı incelemelerinde bu numuneler üzerinde 20-30 µm arası korozyon tabakasına rastlanması Tecno Silica silis dumanı ve Sika Ferro Gard 903 katkılarının betonarme numuneleri beton yapının dış çevresinden gelebilecek agresif klor iyonlarına ve oksijene karşı kontrol numunelerine göre oldukça etkin bir şekilde koruduğunu göstermiştir. Sikagard-703 W ile kaplamalı betonarme numunelerde genel olarak korozyona rastlanmamıştır. Sadece ufak bir bölgede lokal olarak ve çok ince (0-3 µm arası) oksit tabakasına rastlanmıştır. Ayrıca Sikagard-703 W içeren betonarme numunelerde ölçülen korozyon akım değerlerinin betonun dayanıklılığı açısından risk oluşturmayan bölgede kaldığı tespit edilmiştir. Kontrol numunelerinde ise 20-30 mikron aralığında oksit tabakasına rastlanmış ve donatıların bazı bölgelerinde lokal korozyon oluşumu görülmüştür. Katodik koruma prosesleri için eski betonarme yapıları temsilen kullanılmış durumda olan Ø14'lük nervürlü donatı çelikleri kullanılarak 200x200x200 mm ölçülerinde küp şeklinde betonarme numuneler üretilmiştir. Dış akım kaynaklı katodik koruma için üretilen betonarme numunenin henüz akım verilmeden önce Cu-CuSO4 referans elektrodu ile ölçülen yarı hücre potansiyel değeri -475 mV olarak tespit edilmiştir. Bu değer numunede kullanılan çelik donatıların kullanılmış olması sebebi ile korozyona uğradığını göstermektedir. Numuneye dış akım verildikten sonra betonarme numunenin yarı hücre potansiyel değeri -851 mV olarak ölçülmüştür. Elde edilen değer, betonarme demirleri için potansiyel kriteri olarak kabul edilen -770 mV potansiyelinden daha negatif ve aşırı koruma başlangıç sınırı olan -950 mV potansiyelinden pozitif olduğu için katodik korumanın tam olarak gerçekleştiğini ve korozyonun tamamen durdurulduğunu da doğrulamıştır. Galvanik anotlu betonarme numunedeki çelik donatıların çinko anot ile metalik bağlantıları henüz yapılmadan önce Cu-CuSO4 referans elektrodu ile ölçülen yarı hücre potansiyel değeri -235 mV olarak tespit edilmiştir. Bu değer numunelerde kullanılan çelik donatıların kullanılmış olması sebebi ile korozyonla ilgili belirsizlik bölgesinde olduğunu göstermektedir. Numuneye galvanik anotlu katodik koruma uygulandıktan sonra betonarme numunenin yarı hücre potansiyel değeri -363 mV olarak ölçülmüştür. Elde edilen değerin, numuneye galvanik anotlu katodik koruma yapılmadan önce ölçülen -235 mV'luk yarı hücre potansiyelinden daha negatif olması, çinkonun galvanik anot olarak çözündüğünü ve çelik donatıları katodik olarak koruyabilmek için donatılara elektron sağladığını göstermiştir. Ancak kullanılan çinko anodun gücünün kullanılan donatı sayısına karşı tam yeterli gelmemesi sebebi ile elde edilen değer -770 mV' un altına inememiştir. Fakat yapılan çalışma çelik donatılar için yeterli büyüklük ve güçte çinko anot kullanılması durumunda katodik korumanın tam olarak gerçekleşeceğini ve her ne kadar çelik donatılar korozyona uğramış ve uğramaya devam ediyor olursa olsun galvanik anotlu katodik koruma uygulanarak betonarme demirlerinin devam eden korozyonunun tam olarak önlenebileceğini göstermektedir. Betonarme numunelerde kullanılan korozyon önleyici malzemelerin ve uygulanan katodik koruma proseslerinin ekonomik değerlendirmeleri yapılmıştır. Betonarme yapıları korozyona karşı koruma amacı ile çelik donatı kaplama malzemelerinin kullanılması %0,06 (70 TL) ? %0,33 (367 TL) aralığında çok az bir ek maliyet getirirken kullanım ömrü boyunca yıllık maliyette %33 (747 TL) - %41 (920 TL) aralığında tasarruf sağlanabileceği öngörülmüştür. Yine betonarme yapıları korozyona karşı koruma amacı ile beton harç katkı malzemelerinin kullanılması %0,1 (123 TL) ? %0,6 (671 TL) aralığında çok az bir ek maliyet getirirken kullanım ömrü boyunca yıllık maliyette % 33 (747 TL) - %37 (834 TL) aralığında tasarruf sağlanabileceği ve sürme esaslı kaplama malzemelerinin kullanılması %0,019 (21 TL) ? %0,022 (24 TL) aralığında çok az bir ek maliyet getirirken kullanım ömrü boyunca yıllık maliyette %33 (747 TL) - %37 (834 TL) aralığında bir tasarruf sağlanabileceği öngörülmüştür. Betonarme yapıları korozyona karşı koruma amacı ile katodik koruma proseslerinin uygulanması %0,6 (625 TL) ? %0,6 (653 TL) aralığında çok az bir ek maliyet getirirken kullanım ömrü boyunca yıllık maliyette %36,7 (834 TL) - %36,9 (834 TL) aralığında oldukça iyi bir tasarruf sağlanabileceği öngörülmüştür. Gerek ekonomiklik gerekse uygulanma şartları bakımından dış akım kaynaklı katodik koruma sisteminin yeni yapılacak yapılarda ve galvanik anotlu katodik koruma sisteminin ise eski yapılarda kurulması uygun görülmüştür. Beton içine katkı olarak ilave edilen Tecno Silica silis dumanının diğer katkı malzemesi ile yapılan karşılaştırmasına göre yapılarda kullanımının daha uygun olduğu görülmüştür. Donatı kaplamaları arasında yapılan karşılaştırmada yapının kullanım ömrü süresince ekonomiklik açısından epoksi kaplama ile sıcak daldırma galvaniz kaplama ön plana çıkmıştır. Diğer değerler birbirine yakın olmakla birlikte aderans dayanımı olarak sıcak daldırma galvaniz kaplama üstünlük göstermiştir.Bu nedenle aderansın çok önemli olduğu uygulamalarda çinko kaplamanın daha uygun olduğu düşünülmektedir. Betonarmenin dış yüzeyinde kullanılan kaplamalar arasında karşılaştırma yapıldığında ise Sika Gard 703 W kaplamasının kullanımının korozyondan korunma ve maliyet açısından daha uygun olduğu görülmüştür. 411,6 metrekarelik temel alanına sahip 20 katlı ve 80 daireli yeni yapılacak betonarme bir binada korozyon hasarlarından korunma amacı ile gerekli önlem malzeme ve prosesleri bir paket halinde uygulandığında ortalama 112.322 TL olan dairenin maliyeti 1164 TL yani sadece %1 değerinde artmakta fakat binanın kullanım ömrünün artmasına bağlı olarak bir dairenin yıllık maliyeti yüksek oranda düşebileceği öngörülebilir. Dolayısı ile binalarımızda korozyona karşı önlem paketi uygulandığı taktirde daire başına yapılan harcama birkaç yıl içerisinde geri kazanılabilecektir.